CN109345012A - 基于综合评价指标的园区能源互联网运行优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于综合评价指标的园区能源互联网运行优化方法，其具体步骤为：建立园区能源互联网的能源设备的模型；建立园区能源互联网运行的综合评价指标，涉及经济性、环保性和高效性的评价指标；建立以综合评价指标最大化为目标的园区能源互联网运行优化模型；利用GAMS软件求解园区能源互联网运行优化模型，得到园区能源互联网运行方案。本发明能够有效兼顾园区能源互联网运行的经济性、环保性和高效性，提供更加全面的、多维度优化的园区能源互联网运行方案。
Description
技术领域
本发明涉及园区能源互联网的运行优化技术，特别涉及基于综合评价指标的园区能源互联网运行优化方法。
背景技术
当前，化石能源日渐枯竭和环境污染日益严峻，追求安全、高效、清洁、低碳的能源可持续发展道路已经提升到国家战略地位。能源互联网，打破传统电、冷、热、天然气系统单独规划、单独运行的传统模式，对多种能源系统进行统一规划和协调运行，实现多能互补，提高能源利用效率，是未来能源领域的发展趋势。
园区能源互联网是靠近用户侧的终端能源互联网，涉及能源生产、转换和储存等多个能源环节，包含热电联产设备、燃气锅炉设备、电制冷设备等众多能源设备，对于这样一个复杂的多能源系统，如何发挥不同能源之间互补的优势，协同优化不同能源设备的运行，是急需解决的关键技术问题。现有研究多以经济性指标最优为目标，难以适应当前复杂供用能需求。针对以上问题，本发明提供基于综合评价指标的园区能源互联网运行优化方法，能够兼顾园区能源互联网运行的经济性、环保性和高效性。
发明内容
本发明的目的在于解决园区能源互联网运行优化问题，能够兼顾园区能源互联网运行的经济性、环保性和高效性。为实现上述目的，本发明提出基于综合评价指标的园区能源互联网运行优化方法，包括以下步骤：
(1)建立园区能源互联网的能源设备的模型；
(2)建立园区能源互联网运行的综合评价指标，涉及经济性、环保性和高效性的评价指标；
(3)建立以综合评价指标最大化为目标的园区能源互联网运行优化模型；
(4)利用GAMS软件求解园区能源互联网运行优化模型，得到园区能源互联网运行方案。
所述的能源设备的模型包括能源转换设备的模型和能源储存设备的模型；
所述的能源转换设备包括燃气轮机设备、燃气锅炉设备、余热回收设备、吸收式制冷设备和电制冷设备；
所述的能源储存设备包括电储能设备和热储能设备；
所述的能源转换设备的模型为：
其中，和分别为t时段燃气轮机设备的天然气功率、热功率和电功率；和分别为燃气轮机设备的发电效率和产热效率；和分别为t时段燃气锅炉设备的天然气功率和热功率；ηGB为燃气锅炉设备的产热效率；为t时段余热回收设备输出的热功率；ηHR为余热回收设备的产热效率；和分别为t时段吸收式制冷设备的热功率和冷功率；和分别为t时段电制冷设备的电功率和冷功率；KAC和KEC分别为吸收式制冷设备的制冷系数和电制冷设备的制冷系数；
所述的能源储存设备的模型为：
其中，△t为优化时间间隔；和分别为电储能设备t时段的充电功率和放电功率；和分别为热储能设备t时段的充热功率和放热功率；和分别为电储能设备t时段和(t-1)时段储存的能量；和分别为热储能设备t时段和(t-1)时段储存的能量；和分别为电储能设备的充电效率和放电效率；和分别为热储能设备的充热效率和放热效率。
所述的步骤(2)包括：
(2-1)构建综合评价指标的评价指标组成，经济性的评价指标为运行成本COP，环保性的评价指标为二氧化碳排放量DEm，高效性的评价指标为综合能源利用率wper；
所述的运行成本COP为：
其中，T为优化总时段，和分别为t时段园区能源互联网从电网购入的电功率和从天然气网购入的天然气功率，t的取值范围为1～T；为t时段园区能源互联网从电网购电的电价；cg为天然气价格；H为天然气燃烧的高热值；I为能源转换设备总数，λi为第i个能源转换设备的维护成本系数，i的取值范围为1～I；为t时段i类能源转换设备的输入功率；
所述的二氧化碳排放量DEm为：
其中，dg和de分别为天然气和电能的二氧化碳排放系数；
所述的综合能源利用率wper为园区能源互联网输出的能量总量与输入的能量总量的比例：
其中，和分别为t时段的电负荷功率、热负荷功率和冷负荷功率；
(2-2)通过模糊隶属度函数获取各评价指标的隶属度；
其中，和分别为运行成本、二氧化碳排放量和综合能源利用率的隶属度；和为运行成本、二氧化碳排放量和综合能源利用率的最优值；
(2-3)采用层次分析法确定综合评价指标权重，得到综合评价指标；
其中，ξCEI为综合评价指标；ρ1、ρ2和ρ3分别为运行成本、二氧化碳排放量和综合能源利用率的综合评价指标权重。
所述的步骤(2-3)包括：
(2-3-1)采用标度1～9描述n个评价指标的重要程度；
(2-3-2)将各评价指标重要程度进行两两比较，得到判别矩阵A＝[apq]；
其中，apq为评价指标p的重要程度ap与评价指标q的重要程度aq的比值，p、q的取值范围为1～n；
(2-3-3)根据判别矩阵A计算特征根和特征向量，并进行一致性校验；
其中，λmax为判别矩阵A的最大特征根；IR为平均随机一致性指标，根据评价指标总数，查表可获取；CR为随机一致性指标，一般认为CR<0.1，则认为判别矩阵A满足一致性要求；
(2-3-4)将判别矩阵A的特征向量进行标准化，得到综合评价指标权重。
所述的步骤(3)中的园区能源互联网运行优化模型包括目标函数和约束条件；
所述的目标函数为综合评价指标最大化：
maxξCEI
所述的约束条件包括功率平衡约束、最大出力约束、爬坡约束、交互功率约束和能源储存设备运行约束；
所述的功率平衡约束为：
所述的最大出力约束为：
其中，和分别为i类能源转换设备输入功率的下限和上限；
所述的爬坡约束为：
其中，和分别为燃气轮机设备和燃气锅炉设备(t-1)时段的天然气功率，rMT和rGB分别为燃气轮机设备和燃气锅炉设备的最大爬坡速率；
所述的交互功率约束为：
其中，和分别为园区能源互联网从电网购入电功率的下限和上限；
所述的能源储存设备运行约束为：
其中，和分别为电储能设备的最大充放电功率和热储能设备的最大充放热功率；和分别为标志t时段电储能设备充电状态和热储能设备充热状态的0-1逻辑变量，充电时等于1，否则等于0，充热时等于1，否则等于0；和分别为电储能设备初始时刻和终止时刻储存的能量；和分别为热储能设备初始时刻和终止时刻储存的能量；和分别为电储能设备储存能量的下限和上限；和分别为热储能设备储存能量的下限和上限。
与现有技术相比，本发明提供的基于综合评价指标的园区能源互联网方法，综合考虑了园区能源互联网运行的运行成本、二氧化碳排放量和综合能源利用率，可以兼顾园区能源互联网运行的经济性、环保性和高效性，为调度决策者提高全方位、多维度的园区能源互联网调度方案。
附图说明
附图1为基于综合评价指标的园区能源互联网运行优化方法的步骤示意图；
附图2为典型的园区能源互联网结构；
附图3为电价曲线图；
附图4为夏季典型日和冬季典型日园区能源互联网负荷曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施做进一步说明。显然所述的的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1为本发明实施例提供的基于综合评价指标的园区能源互联网运行优化方法，包括以下步骤：
(1)建立园区能源互联网的能源设备的模型；
(2)建立园区能源互联网运行的综合评价指标，涉及经济性、环保性和高效性的评价指标；
(3)建立以综合评价指标最大化为目标的园区能源互联网运行优化模型；
(4)利用GAMS软件求解园区能源互联网运行优化模型，得到园区能源互联网运行方案。
所述的能源设备的模型包括能源转换设备的模型和能源储存设备的模型；
所述的能源转换设备包括燃气轮机设备、燃气锅炉设备、余热回收设备、吸收式制冷设备和电制冷设备；
所述的能源储存设备包括电储能设备和热储能设备；
所述的能源转换设备的模型为：
其中，和分别为t时段燃气轮机设备的天然气功率、热功率和电功率；和分别为燃气轮机设备的发电效率和产热效率；和分别为t时段燃气锅炉设备的天然气功率和热功率；ηGB为燃气锅炉设备的产热效率；为t时段余热回收设备输出的热功率；ηHR为余热回收设备的产热效率；和分别为t时段吸收式制冷设备的热功率和冷功率；和分别为t时段电制冷设备的电功率和冷功率；KAC和KEC分别为吸收式制冷设备的制冷系数和电制冷设备的制冷系数；
所述的能源储存设备的模型为：
其中，△t为优化时间间隔；和分别为电储能设备t时段的充电功率和放电功率；和分别为热储能设备t时段的充热功率和放热功率；和分别为电储能设备t时段和(t-1)时段储存的能量；和分别为热储能设备t时段和(t-1)时段储存的能量；和分别为电储能设备的充电效率和放电效率；和分别为热储能设备的充热效率和放热效率。
所述的步骤(2)包括：
(2-1)构建综合评价指标的评价指标组成，经济性的评价指标为运行成本COP，环保性的评价指标为二氧化碳排放量DEm，高效性的评价指标为综合能源利用率wper；
所述的运行成本COP为：
其中，T为优化总时段，和分别为t时段园区能源互联网从电网购入的电功率和从天然气网购入的天然气功率，t的取值范围为1～T；为t时段园区能源互联网从电网购电的电价；cg为天然气价格；H为天然气燃烧的高热值；I为能源转换设备总数，λi为第i个能源转换设备的维护成本系数，i的取值范围为1～I；为t时段i类能源转换设备的输入功率；
所述的二氧化碳排放量DEm为：
其中，dg和de分别为天然气和电能的二氧化碳排放系数；
所述的综合能源利用率wper为园区能源互联网输出的能量总量与输入的能量总量的比例：
其中，和分别为t时段的电负荷功率、热负荷功率和冷负荷功率；
(2-2)通过模糊隶属度函数获取各评价指标的隶属度；
其中，和分别为运行成本、二氧化碳排放量和综合能源利用率的隶属度；和为运行成本、二氧化碳排放量和综合能源利用率的最优值；
(2-3)采用层次分析法确定综合评价指标权重，得到综合评价指标；
其中，ξCEI为综合评价指标；ρ1、ρ2和ρ3分别为运行成本、二氧化碳排放量和综合能源利用率的综合评价指标权重。
所述的步骤(2-3)包括：
(2-3-1)采用标度1～9描述n个评价指标的重要程度；
(2-3-2)将各评价指标重要程度进行两两比较，得到判别矩阵A＝[apq]；
其中，apq为评价指标p的重要程度ap与评价指标q的重要程度aq的比值，p、q的取值范围为1～n；
(2-3-3)根据判别矩阵A计算特征根和特征向量，并进行一致性校验；
其中，λmax为判别矩阵A的最大特征根；IR为平均随机一致性指标，根据评价指标总数，查表可获取；CR为随机一致性指标，一般认为CR<0.1，则认为判别矩阵A满足一致性要求；
(2-3-4)将判别矩阵A的特征向量进行标准化，得到综合评价指标权重。
所述的步骤(3)中的园区能源互联网运行优化模型包括目标函数和约束条件；
所述的目标函数为综合评价指标最大化：
maxξCEI
所述的约束条件包括功率平衡约束、最大出力约束、爬坡约束、交互功率约束和能源储存设备运行约束；
所述的功率平衡约束为：
所述的最大出力约束为：
其中，和分别为i类能源转换设备输入功率的下限和上限；
所述的爬坡约束为：
其中，和分别为燃气轮机设备和燃气锅炉设备(t-1)时段的天然气功率，rMT和rGB分别为燃气轮机设备和燃气锅炉设备的最大爬坡速率；
所述的交互功率约束为：
其中，和分别为园区能源互联网从电网购入电功率的下限和上限；
所述的能源储存设备运行约束为：
其中，和分别为电储能设备的最大充放电功率和热储能设备的最大充放热功率；和分别为标志t时段电储能设备充电状态和热储能设备充热状态的0-1逻辑变量，充电时等于1，否则等于0，充热时等于1，否则等于0；和分别为电储能设备初始时刻和终止时刻储存的能量；和分别为热储能设备初始时刻和终止时刻储存的能量；和分别为电储能设备储存能量的下限和上限；和分别为热储能设备储存能量的下限和上限。
如图2所示，为一个典型的园区能源互联网结构，以此为例进行说明。
如图3所示，为电价曲线图；如图4所示，为夏季典型日和冬季典型日园区能源互联网负荷曲线。
天然气价格为3.15元/m3。天然气和传统电厂的CO2排放系数分别为1.85kg/m3和0.80kg/kWh。各能源设备的参数如表1所示。
表1各能源设备参数
夏季典型日和冬季典型日下，分别以运行成本、二氧化碳排放量、综合能源利用率和综合评价指标最优为目标的4种方案的优化结果如表2所示。
表2不同优化方案结果对比
由表2可知，在夏季典型日下，运行成本、二氧化碳排放量和综合能源利用率最优的优化方案下，综合评价指标值分别为0.899、0.890和0.676，均小于综合评价指标的最优值0.901；在冬季典型日下，运行成本、二氧化碳排放量和综合评价指标最优的优化方案下，综合评价指标值分别为0.956、0.972和0.748，均小于综合评价指标的最优值0.976。这是因为单一评价指标最优的优化方案，虽然能够使得园区能源互联网运行的单一评价指标达到最优值，但是严重恶化了其他评价指标，使得综合评价指标较差。而综合评价指标最优的优化方案，能够有效权衡经济性、环保性和高效性评价指标的大小，使得综合评价指标最优。由此可见，基于综合评价指标最优的运行方案能够兼顾园区能源互联网运行的经济性、环保性和高效性，满足复杂的供用能环境下运行决策者多维度、全方位的需求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的修改、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于综合评价指标的园区能源互联网运行优化方法，其特征在于，包括：
(1)建立园区能源互联网的能源设备的模型；
(2)建立园区能源互联网运行的综合评价指标，涉及经济性、环保性和高效性的评价指标；
(3)建立以综合评价指标最大化为目标的园区能源互联网运行优化模型；
(4)利用GAMS软件求解园区能源互联网运行优化模型，得到园区能源互联网运行方案。
2.根据权利要求1所述的基于综合评价指标的园区能源互联网运行优化方法，其特征在于，所述的能源设备的模型包括能源转换设备的模型和能源储存设备的模型；
所述的能源转换设备包括燃气轮机设备、燃气锅炉设备、余热回收设备、吸收式制冷设备和电制冷设备；
所述的能源储存设备包括电储能设备和热储能设备；
所述的能源转换设备的模型为：
其中，和分别为t时段燃气轮机设备的天然气功率、热功率和电功率；和分别为燃气轮机设备的发电效率和产热效率；和分别为t时段燃气锅炉设备的天然气功率和热功率；ηGB为燃气锅炉设备的产热效率；为t时段余热回收设备输出的热功率；ηHR为余热回收设备的产热效率；和分别为t时段吸收式制冷设备的热功率和冷功率；和分别为t时段电制冷设备的电功率和冷功率；KAC和KEC分别为吸收式制冷设备的制冷系数和电制冷设备的制冷系数；
所述的能源储存设备的模型为：
其中，△t为优化时间间隔；和分别为电储能设备t时段的充电功率和放电功率；和分别为热储能设备t时段的充热功率和放热功率；和分别为电储能设备t时段和(t-1)时段储存的能量；和分别为热储能设备t时段和(t-1)时段储存的能量；和分别为电储能设备的充电效率和放电效率；和分别为热储能设备的充热效率和放热效率。
3.根据权利要求1所述的基于综合评价指标的园区能源互联网运行优化方法，其特征在于，所述的步骤(2)包括：
(2-1)构建综合评价指标的评价指标组成，经济性的评价指标为运行成本COP，环保性的评价指标为二氧化碳排放量DEm，高效性的评价指标为综合能源利用率wper；
所述的运行成本COP为：
其中，T为优化总时段，和分别为t时段园区能源互联网从电网购入的电功率和从天然气网购入的天然气功率，t的取值范围为1～T；为t时段园区能源互联网从电网购电的电价；cg为天然气价格；H为天然气燃烧的高热值；I为能源转换设备总数，λi为第i个能源转换设备的维护成本系数，i的取值范围为1～I；为t时段i类能源转换设备的输入功率；
所述的二氧化碳排放量DEm为：
其中，dg和de分别为天然气和电能的二氧化碳排放系数；
所述的综合能源利用率wper为园区能源互联网输出的能量总量与输入的能量总量的比例：
其中，和分别为t时段的电负荷功率、热负荷功率和冷负荷功率；
(2-2)通过模糊隶属度函数获取各评价指标的隶属度；
其中，和分别为运行成本、二氧化碳排放量和综合能源利用率的隶属度；和为运行成本、二氧化碳排放量和综合能源利用率的最优值；
(2-3)采用层次分析法确定综合评价指标权重，得到综合评价指标；
其中，ξCEI为综合评价指标；ρ1、ρ2和ρ3分别为运行成本、二氧化碳排放量和综合能源利用率的综合评价指标权重。
4.根据权利要求3所述的基于综合评价指标的园区能源互联网运行优化方法，其特征在于，所述的步骤(2-3)包括：
(2-3-1)采用标度1～9描述n个评价指标的重要程度；
(2-3-2)将各评价指标重要程度进行两两比较，得到判别矩阵A＝[apq]；
其中，apq为评价指标p的重要程度ap与评价指标q的重要程度aq的比值，p、q的取值范围为1～n；
(2-3-3)根据判别矩阵A计算特征根和特征向量，并进行一致性校验；
其中，λmax为判别矩阵A的最大特征根；IR为平均随机一致性指标，根据评价指标总数，查表可获取；CR为随机一致性指标，一般认为CR<0.1，则认为判别矩阵A满足一致性要求；
(2-3-4)将判别矩阵A的特征向量进行标准化，得到综合评价指标权重。
5.根据权利要求1所述的基于综合评价指标的园区能源互联网运行优化方法，其特征在于，所述的步骤(3)中的园区能源互联网运行优化模型包括目标函数和约束条件；
所述的目标函数为综合评价指标最大化：
maxξCEI
所述的约束条件包括功率平衡约束、最大出力约束、爬坡约束、交互功率约束和能源储存设备运行约束；
所述的功率平衡约束为：
所述的最大出力约束为：
其中，和分别为i类能源转换设备输入功率的下限和上限；
所述的爬坡约束为：
其中，和分别为燃气轮机设备和燃气锅炉设备(t-1)时段的天然气功率，rMT和rGB分别为燃气轮机设备和燃气锅炉设备的最大爬坡速率；
所述的交互功率约束为：
其中，和分别为园区能源互联网从电网购入电功率的下限和上限；
所述的能源储存设备运行约束为：
其中，和分别为电储能设备的最大充放电功率和热储能设备的最大充放热功率；和分别为标志t时段电储能设备充电状态和热储能设备充热状态的0-1逻辑变量，充电时等于1，否则等于0，充热时等于1，否则等于0；和分别为电储能设备初始时刻和终止时刻储存的能量；和分别为热储能设备初始时刻和终止时刻储存的能量；和分别为电储能设备储存能量的下限和上限；和分别为热储能设备储存能量的下限和上限。
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